У тонке повітря

Слід враховувати фактичну щільність повітря, щоб зменшити ризик погіршення тяги та підйому при зльотах, посадках, зміні круїзу та траєкторії польоту.

Ед Бротак | 1 листопада 2013 р

2 серпня 2007 року вертоліт Robinson R44 II розбився на гірській місцевості в західній частині штату Вашингтон, США. Катастрофа та подальша пожежа забрали життя пілота та трьох пасажирів, які об'їжджали лісозаготівлі. Свідки заявили, що вертоліт піднявся, піднявся прямо вгору і повернув ліворуч. Це поставило літак на легкий попутний вітер. Вони сказали, що, проїхавши кілька сотень футів, вертоліт почав хитатися і позіхати туди-сюди. Потім воно швидко спустилося вниз, вдарившись об землю. Відбувся вибух, і вертоліт негайно охопив полум’я.

Подальша експертиза двигуна та планера не показала жодних аномалій, які могли б сприяти аварії, йдеться в остаточному звіті. 41-річний комерційний пілот провів у вертольотах понад 2000 годин і був сертифікований як інструктор вертольота. Доказів порушення алкоголю чи наркотиків виявлено не було. Погода, придатна для експлуатації правил візуального польоту (VFR), не була фактором.

Однак в аварійному середовищі відбулося те, що відоме як висота висоти щільності.

Відрізна ділянка лісозаготівельної ділянки, з якої злетів вертоліт, була на висоті 1561 м (4961 футів). Температура в той час була вище 70 градусів за Фаренгейтом (21 градус С). Висота щільності була розрахована на 6841 футів, тобто повітря було таким «рідким» (менш щільним), як це зазвичай було на 6841 футах. Національний комітет з безпеки на транспорті США (NTSB) дійшов висновку, що можливою причиною аварії є « неправильне планування/рішення пілота при спробі зльоту за вітром в умовах висоти високої щільності, що призвело до втрати контролю та впливу на місцевість. Аварії сприяв і загальний вага вертольота, який перевищував максимальну зависання поза межею впливу на землю ". 1

Висотні умови високої щільності становлять небезпеку для всіх літальних апаратів, а не лише для малих, що працюють на гвинті. Boeing Co. вважає загрозу настільки важливою, що в жовтні 2007 року вона спільно з Адміністрацією цивільної авіації Китаю провела триденну конференцію щодо "Високих та гарячих операцій". Як приклади він використовував багатомоторні літаки. Він також підкреслив вплив на реактивні двигуни, зокрема зменшення тяги на великій висоті (тобто вище 25000 футів).

Теми, представлені в презентаціях, включали: «Висота проти тиску, температури та щільності повітря»; “Типи висоти”; “Швидкість повітря, справжнє проти зазначеного”; «Усунення далеких перешкод»; та "Відстань зльоту". 2

Під час базової підготовки пілотів навчають, що «високе, гаряче і вологе» повітря може спричинити проблеми з експлуатаційними якостями їхніх літаків. Однак кількість аварій та аварій, які продовжують траплятися, вказує на те, що небезпеки, пов'язані з висотою над висотою щільності, не завжди добре зрозумілі або повністю оцінені. Численні болючі відео в Інтернеті показують пілотів, які намагаються керувати своїми літаками в умовах високої щільності.

Щоб повністю зрозуміти проблему висоти високої щільності, необхідно повернутися до основ атмосферної щільності, тиску та альтиметрії, використовуючи тиск повітря як вимірювач висоти.

Атмосферний тиск (виміряний барометром) - це просто міра ваги стовпа повітря над точкою. Чим більше повітря над точкою, тим більший тиск. На рівні моря вся атмосфера вище, а тиск найбільший. Середній (середній) тиск на рівні моря становить 29,92 рт. Ст. (1013 гПа). На більших висотах повітря менше, а тиск зменшується - дуже швидко, навіть експоненційно. Якщо ми досить розумно припустимо, що тиск скрізь зменшується з висотою з однаковою швидкістю, тиск вказує на висоту. Стандартний альтиметр - це насправді просто барометр анероїду, встановлений для зчитування тиску як висоти.

Але тиск на рівні моря не завжди становить 29,92 рт. Ст. Він змінюється, в першу чергу через рух поверхневих погодних систем, загальних областей високого та низького тиску, які видно на стандартних картах погоди. Ось чому пілоти перевіряють висотомір в аеропорту. Це фактичний тиск, скоригований на середній рівень моря. Введення цього показника на висотомір дозволяє йому розрахувати висоту над рівнем моря (ASL), порівнюючи невідрегульований фактичний тиск (те, що метеорологи називають тиском на станції) з відрегульованим тиском рівня моря.

Термін висота тиску описує цей тип наближення висоти. Висота ASL зазвичай визначає задане значення тиску. Наприклад, якщо виміряний тиск становить 28,00 рт.ст., це буде дорівнювати висоті тиску приблизно 1800 футів над рівнем моря.

Тиск повітря безпосередньо пов'язаний з щільністю повітря, що головне турбує пілотів. Повітря - це рідина, а рідини стисливі. Отже, щільність повітря зростає із збільшенням тиску, а щільність повітря безпосередньо залежить від висоти. Наприклад, у міжнародному аеропорту Денвера на висоті 1531 м над рівнем моря щільність повітря на 18 відсотків нижча порівняно з рівнем моря. Далі в Скелястих горах сидить аеропорт Лейк Каунті в місті Лідвілл, штат Колорадо. На 9 927 футів (3026 м) це найвищий аеропорт Північної Америки. Щільність повітря там на 30 відсотків нижча порівняно з рівнем моря. У міжнародному аеропорту Ель-Альто в Ла-Пасі, Болівія, висота над рівнем моря становить 13 325 футів (4061 м), а щільність повітря на 40 відсотків нижча порівняно з рівнем моря.

Крім тиску, на щільність повітря впливають температура і вологість (водяна пара або вміст вологи). На відміну від поширеної думки, вологе повітря менш щільне, ніж сухе, оскільки водяна пара важить менше газоподібних складових сухого повітря. Отже, повітря з більш високою вологістю трохи менш щільний, ніж сухіше повітря при тій же температурі. Однак різниця в щільності повітря внаслідок зміни вологості зазвичай не є суттєвою для польотних показників.

Температурний вплив, навпаки, може бути глибоким. Гаряче повітря менш щільне, ніж холодне повітря (концепція повітряних кульок). Температура близько 100 градусів за Фаренгейтом (38 градусів С) забезпечує щільність повітря майже на 10 відсотків нижчу, ніж повітря при 10 градусах Цельсія. Цей ефект виникає на будь-якій висоті, але рідко спричиняє проблеми в експлуатації літаків в аеропортах з низькими висотами. Саме тоді, коли високі температури поєднуються з високими висотами, низька щільність повітря стає серйозною проблемою.

Щоб пілоти усвідомлювали вплив температури на щільність повітря, ми використовуємо термін висота щільності, що є висотою тиску, виправленою для нестандартної температури. Що в цьому випадку означає "нестандартне"? Міжнародна стандартна атмосфера має на поверхні температуру 15 градусів за Фаренгейтом, при цьому температура знижується на 3,5 градуса F на 1000 футів (6,4 градуса C на км) над нею. Використовуючи ці дані, стандартна температура при 5000 футів над рівнем моря буде становити 5 градусів Цельсія. Але це припускаючи, що земля знаходиться на висоті 5000 футів нижче. Якщо поверхня землі сягає 5000 футів, тоді температура влітку може бути набагато більшою.

Коли земля поглинає сонячне тепло, температура поверхні може піднятися до 90 градусів F (32 градусів С) або навіть вище. Висота щільності в цьому випадку становить 8200 футів. Це значне зменшення щільності повітря. Існує конкретна формула для визначення висоти щільності, враховуючи фактичний тиск і температуру. Типові поточні таблиці та графіки, а також цифрові пристрої та програми були створені для пілотів, щоб вони вводили лише висоту та температуру тиску, щоб полегшити розрахунки для робочих умов.

Коли поєднання висот і високих температур призводить до значного зниження щільності повітря, ми називаємо це ситуацією з висотою висоти. Однак цей термін може ввести в оману. Це не означає високу щільність, а навпаки. Це означає, що пілот відчує повітря низької щільності, який зазвичай зустрічається на великій висоті.

Щільність повітря має значний вплив на можливості літаків. По-перше, це впливає на продуктивність поршневого або турбінного двигуна. На згоряння, яке генерує потужність двигуна, негативно впливає висока висота щільності, оскільки в розрідженому повітрі менше молекул повітря. Менший забір повітря означає меншу енергію, що виробляється, якщо не вжити коригувальних заходів. По-друге, тяга, яку створює гвинт, лопатки турбіни або лопаті ротора, зменшується за рахунок більш рідкого повітря. І нарешті, підйом, який генерують крила літаків або лопаті ротора вертольота, є функцією щільності повітря. У висотних умовах високої щільності виробляється менше підйому.

Висота високої щільності створює два значні ефекти на зльоти. По-перше, потрібно більше часу, щоб літак став повітряно-десантним. У найгіршому випадку пілот літака може закінчитися з злітно-посадкової смуги до того, як літак підніметься, що може призвести до екскурсії злітно-посадкової смуги. Щоб цього уникнути, бажано перевірити таблицю показників зльоту у посібнику з експлуатації пілота.

Крім того, швидкість підйому після зльоту знижується порівняно з висотою низької щільності. Початковий шлях польоту є більш рівним, ніж зазвичай. Це викликає особливе занепокоєння, оскільки в багатьох висотних аеропортах місцевість швидко піднімається після закінчення злітно-посадкової смуги. Федеральна авіаційна адміністрація США (FAA) заявляє, що пілоти повинні перевірити розділ експлуатаційних даних в посібнику для власника повітряного судна або в посібнику з експлуатації пілота, розробленому виробником повітряних суден, щоб побачити, як впливає на експлуатаційні характеристики літака щільність повітря. Замість цих джерел деякі пілоти використовують діаграму Коха, яка визначає висоту та температуру з дальністю зльоту та швидкістю підйому. Пілоти можуть перевірити умови свого розташування до зльоту та прибуття та внести необхідні коригування.

Проблеми з висотою висоти щільності не обмежуються зльотами. Для посадки справжня швидкість повітря більша в повітрі, хоча вказана швидкість повітря менша. Це може призвести до надмірної швидкості посадки, збільшення відстані до розгортання та можливості екскурсії на злітно-посадкову смугу.

Навіть під час круїзного польоту можуть виникнути проблеми. У серпні 2006 року стрілянина Пайпер PA-28R-2-1 пролітала гірською місцевістю на північний захід від Саліди, штат Колорадо. Досвідчений пілот опинився в пастці в каньйоні коробки, не маючи можливості набрати достатньо висоти, щоб врятуватися. Літак розбився, загинув пілот та тяжко поранив одного пасажира. Сама Саліда знаходиться на висоті 2183 м. Через теплі температури висота над рівнем щільності становила понад 9000 футів (2743 м).

У більшості інцидентів та аварій існує ряд причинно-наслідкових факторів. Часом сукупність факторів перевищувала здатність пілота або льотного екіпажу розірвати причинний ланцюг аварії, навіть коли вони реагують як навчені до ситуації. У деяких описаних вище подіях НТСБ визначив, що літак був перевантажений, що посилило ефект від висотних умов. Фінансові проблеми можуть спокусити тих, хто займається авіаційним бізнесом, завантажувати до максимуму або навіть трохи далі. Раптова зміна вітру або незначний прорахунок пілота також можуть поставити літак під загрозу. У таких випадках велика висота щільності може суттєво зменшити похибку.